В теоретической физике отрицательная масса — это гипотетический тип экзотической материи , масса которой имеет противоположный знак по отношению к массе обычной материи , например, −1 кг. [1] [2] Такая материя нарушила бы одно или несколько энергетических условий и проявляла бы странные свойства, такие как противоположно направленное ускорение для приложенной силы. Она используется в некоторых спекулятивных гипотетических технологиях, таких как путешествия во времени в прошлое и будущее, [3] строительство проходимых искусственных червоточин , которые также могут позволить путешествовать во времени, трубки Красникова , двигатель Алькубьерре и потенциально другие типы варп-двигателей, движущихся быстрее света . В настоящее время ближайшим известным реальным представителем такой экзотической материи является область отрицательной плотности давления, создаваемая эффектом Казимира .
В декабре 2018 года астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию « темной жидкости », частично связанную с представлениями о гравитационно отталкивающих отрицательных массах, представленными ранее Альбертом Эйнштейном , которая может помочь лучше понять, проверяемым образом, значительные объемы неизвестной темной материи и темной энергии в космосе . [4] [5]
Отрицательная масса — это любая область пространства , в которой для некоторых наблюдателей плотность массы оказывается отрицательной. Это может произойти из-за области пространства, в которой сумма трех нормальных компонент напряжения (давление по каждой из трех осей) тензора энергии-импульса Эйнштейна больше по величине, чем плотность массы. Все это является нарушением того или иного варианта условия положительной энергии общей теории относительности Эйнштейна; однако условие положительной энергии не является обязательным условием для математической согласованности теории.
При рассмотрении отрицательной массы важно учитывать, какие из этих концепций массы являются отрицательными. С тех пор, как Ньютон впервые сформулировал свою теорию гравитации , существовало по крайней мере три концептуально различных величины, называемых массой :
Закон сохранения импульса требует, чтобы активная и пассивная гравитационная масса были идентичны. Принцип эквивалентности Эйнштейна постулирует, что инертная масса должна быть равна пассивной гравитационной массе, и все экспериментальные данные на сегодняшний день показывают, что они действительно всегда одинаковы.
В большинстве анализов отрицательной массы предполагается, что принцип эквивалентности и сохранение импульса продолжают применяться без использования какой-либо материи в процессе, и поэтому все три формы массы остаются теми же, что приводит к изучению «отрицательной массы». Но принцип эквивалентности — это просто наблюдательный факт, и он не обязательно действителен. Если провести такое различие, то «отрицательная масса» может быть трех видов: инертная масса отрицательна, гравитационная масса или обе.
В своем эссе, получившем 4-ю премию на конкурсе Фонда исследований гравитации 1951 года , Хоакин Маздак Латтинжер рассмотрел возможность существования отрицательной массы и ее поведение под действием гравитационных и других сил. [6]
В 1957 году, следуя идее Латтинжера, Герман Бонди предположил в статье в Reviews of Modern Physics , что масса может быть как отрицательной, так и положительной. [7] Он указал, что это не влечет за собой логического противоречия, пока все три формы массы отрицательны, но что предположение об отрицательной массе подразумевает некоторую контринтуитивную форму движения. Например, можно было бы ожидать, что объект с отрицательной инертной массой будет ускоряться в направлении, противоположном тому, в котором его толкали (негравитационно).
Было проведено несколько других анализов отрицательной массы, таких как исследования, проведенные Р. М. Прайсом [8], хотя ни один из них не рассматривал вопрос о том, какой вид энергии и импульса был бы необходим для описания несингулярной отрицательной массы. Действительно, решение Шварцшильда для параметра отрицательной массы имеет голую сингулярность в фиксированном пространственном положении. Сразу возникает вопрос, нельзя ли сгладить сингулярность с помощью некоторой плотности отрицательной массы. Ответ — да, но не с помощью энергии и импульса, которые удовлетворяют условию доминирующей энергии . Это потому, что если энергия и импульс удовлетворяют условию доминирующей энергии в пространстве-времени, которое является асимптотически плоским, что было бы в случае сглаживания сингулярного решения Шварцшильда с отрицательной массой, то оно должно удовлетворять теореме о положительной энергии , т. е. его масса ADM должна быть положительной, что, конечно, не так. [9] [10] Однако Беллетет и Паранджапе заметили, что поскольку теорема о положительной энергии неприменима к асимптотическому пространству-времени де Ситтера, то на самом деле можно было бы сгладить с помощью энергии-импульса, который удовлетворяет условию доминирования энергии, сингулярность соответствующего точного решения отрицательной массы Шварцшильда-де Ситтера, которое является сингулярным точным решением уравнений Эйнштейна с космологической постоянной. [11] В последующей статье Мбарек и Паранджапе показали, что на самом деле можно получить требуемую деформацию посредством введения энергии-импульса идеальной жидкости. [12]
Хотя не известно ни об одной частице с отрицательной массой, физики (в первую очередь Герман Бонди в 1957 году [7] , Уильям Б. Боннор в 1964 и 1989 годах [13] [14], затем Роберт Л. Форвард [15] ) смогли описать некоторые из предполагаемых свойств, которые могут иметь такие частицы. Предполагая, что все три концепции массы эквивалентны согласно принципу эквивалентности , гравитационные взаимодействия между массами произвольного знака могут быть исследованы на основе ньютоновского приближения уравнений поля Эйнштейна . Тогда законы взаимодействия таковы:
Для двух положительных масс ничего не меняется, и есть гравитационное притяжение друг к другу, вызывающее притяжение. Две отрицательные массы отталкивались бы из-за их отрицательных инертных масс. Однако для разных знаков есть толчок, который отталкивает положительную массу от отрицательной массы, и тяга, которая притягивает отрицательную массу к положительной в то же время.
Поэтому Бонди указал, что два объекта с одинаковой и противоположной массой будут создавать постоянное ускорение системы по направлению к объекту с положительной массой [7] , эффект, названный Боннором «убегающим движением», который игнорировал его физическое существование, заявляя:
Я считаю неконтролируемое (или самоускоряющееся) движение […] настолько нелепым, что предпочитаю исключить его, предположив, что инертная масса либо полностью положительна, либо полностью отрицательна.
— Уильям Б. Боннор, в книге «Отрицательная масса в общей теории относительности» . [14]
Такая пара объектов будет ускоряться без ограничений (кроме релятивистского); однако, общая масса, импульс и энергия системы останутся нулевыми. Такое поведение полностью противоречит здравому смыслу и ожидаемому поведению «нормальной» материи. Томас Голд даже намекнул, что неконтролируемое линейное движение можно использовать в вечном двигателе, если преобразовать его в круговое движение:
Что произойдет, если прикрепить к ободу колеса пару отрицательных и положительных масс? Это несовместимо с общей теорией относительности, поскольку устройство становится более массивным.
— Томас Голд, в книге «Отрицательная масса в общей теории относительности» . [16]
Но Форвард показал, что это явление математически последовательно и не нарушает законы сохранения . [15] Если массы равны по величине, но противоположны по знаку, то импульс системы остается нулевым, если они оба движутся вместе и ускоряются вместе, независимо от их скорости:
И эквивалентно для кинетической энергии :
Однако это, возможно, не совсем верно, если принять во внимание энергию гравитационного поля.
Форвард расширил анализ Бонди на дополнительные случаи и показал, что даже если две массы m (−) и m (+) не одинаковы, законы сохранения остаются ненарушенными. Это верно даже при рассмотрении релятивистских эффектов, пока инертная масса, а не масса покоя, равна гравитационной массе.
Такое поведение может приводить к странным результатам: например, в газе, содержащем смесь положительных и отрицательных частиц материи, положительная часть материи будет неограниченно увеличивать температуру . [ требуется ссылка ] Однако отрицательная часть материи приобретает отрицательную температуру с той же скоростью, снова уравновешивая. Джеффри А. Лэндис указал на другие следствия анализа Форварда [17] , в том числе отметив, что хотя частицы с отрицательной массой будут отталкивать друг друга гравитационно, электростатическая сила будет притягивать одноименные заряды и отталкивать противоположные.
Форвард использовал свойства материи с отрицательной массой для создания концепции диаметрального двигателя — конструкции для движения космического корабля с использованием отрицательной массы, не требующей подвода энергии и реактивной массы для достижения произвольно высокого ускорения.
Форвард также ввел термин «аннулирование», чтобы описать, что происходит, когда встречается обычная материя и отрицательная материя: ожидается, что они смогут отменить или аннулировать существование друг друга. Взаимодействие между равными количествами положительной массы материи (следовательно, положительной энергии E = mc 2 ) и отрицательной массы материи (отрицательной энергии − E = − mc 2 ) не выделит никакой энергии, но поскольку единственная конфигурация таких частиц, которая имеет нулевой импульс (обе частицы движутся с одинаковой скоростью в одном направлении), не приводит к столкновению, такие взаимодействия оставят избыток импульса.
В общей теории относительности вселенная описывается как риманово многообразие , связанное с метрическим тензорным решением уравнений поля Эйнштейна. В такой структуре убегающее движение запрещает существование отрицательной материи. [7] [14]
Некоторые биметрические теории вселенной предполагают, что вместо одной могут существовать две параллельные вселенные с противоположной стрелой времени, связанные вместе Большим взрывом и взаимодействующие только посредством гравитации . [18] [19] Затем вселенная описывается как многообразие, связанное с двумя римановыми метриками (одна с положительной массой материи, а другая с отрицательной массой материи). Согласно теории групп, материя сопряженной метрики будет казаться материи другой метрики имеющей противоположную массу и стрелу времени (хотя ее собственное время останется положительным). Связанные метрики имеют свои собственные геодезические и являются решениями двух связанных уравнений поля. [20]
Отрицательная материя связанной метрики, взаимодействующая с материей другой метрики посредством гравитации, могла бы быть альтернативным кандидатом для объяснения темной материи , темной энергии , космической инфляции и ускоряющейся Вселенной . [20]
Гравитационное взаимодействие антиматерии с материей наблюдалось физиками. [21] Как и было единодушно установлено среди физиков ранее, экспериментально подтверждено, что гравитация притягивает как материю, так и антиматерию с одинаковой скоростью в пределах экспериментальной погрешности.
Эксперименты с пузырьковой камерой предоставляют дополнительные доказательства того, что античастицы имеют ту же инерционную массу, что и их обычные аналоги. В этих экспериментах камера подвергается воздействию постоянного магнитного поля, которое заставляет заряженные частицы двигаться по спиральным траекториям, радиус и направление которых соответствуют отношению электрического заряда к инерционной массе. Видно, что пары частица-античастица движутся по спиралям с противоположными направлениями, но одинаковыми радиусами, что подразумевает, что отношения отличаются только знаком; но это не указывает на то, инвертируется ли заряд или инерционная масса. Однако наблюдается, что пары частица-античастица электрически притягиваются друг к другу. Такое поведение подразумевает, что обе имеют положительную инерционную массу и противоположные заряды; если бы было верно обратное, то частица с положительной инерционной массой отталкивалась бы от своего партнера-античастицы.
В 1928 году теория элементарных частиц Поля Дирака , которая теперь является частью Стандартной модели , уже включала отрицательные решения. [22] Стандартная модель является обобщением квантовой электродинамики (КЭД), и отрицательная масса уже встроена в теорию.
Моррис , Торн и Юртсевер [23] указали, что квантовая механика эффекта Казимира может быть использована для создания локально энергетически отрицательной области пространства-времени. В этой статье и последующих работах других авторов они показали, что отрицательная материя может быть использована для стабилизации червоточины . Крамер и др. утверждают, что такие червоточины могли быть созданы в ранней Вселенной, стабилизированные петлями космической струны с отрицательной массой . [24] Стивен Хокинг утверждал, что отрицательная энергия является необходимым условием для создания замкнутой времениподобной кривой путем манипулирования гравитационными полями в конечной области пространства; [25] это подразумевает, например, что конечный цилиндр Типлера не может быть использован в качестве машины времени .
Для энергетических собственных состояний уравнения Шредингера волновая функция волнообразна везде, где энергия частицы больше локального потенциала, и экспоненциально подобна (затухающая) везде, где она меньше. Наивно это означало бы, что кинетическая энергия отрицательна в затухающих областях (чтобы отменить локальный потенциал). Однако кинетическая энергия является оператором в квантовой механике , и ее математическое ожидание всегда положительно, суммируясь с математическим ожиданием потенциальной энергии, чтобы получить собственное значение энергии.
Для волновых функций частиц с нулевой массой покоя (таких как фотоны ) это означает, что любые исчезающие части волновой функции будут связаны с локальной отрицательной массой-энергией. Однако уравнение Шредингера не применимо к безмассовым частицам; вместо этого требуется уравнение Клейна-Гордона .
Механическая модель, приводящая к отрицательному эффекту эффективной массы, изображена на рисунке 1. Ядро с массой соединено изнутри через пружину с постоянной с оболочкой с массой . Система подвергается воздействию внешней синусоидальной силы . Если мы решим уравнения движения для масс и и заменим всю систему одной эффективной массой, то получим: [26] [27] [28] [29] где .
Когда частота приближается сверху, эффективная масса будет отрицательной. [26] [27] [28] [29]
Отрицательная эффективная масса (плотность) становится возможной также на основе электромеханической связи, эксплуатирующей плазменные колебания свободного электронного газа (см. Рисунок 2 ). [30] [31] Отрицательная масса возникает в результате вибрации металлической частицы с частотой, близкой к частоте плазменных колебаний электронного газа относительно ионной решетки . Плазменные колебания представлены упругой пружиной , где - плазменная частота. [30] [31] Таким образом, металлическая частица, колеблющаяся с внешней частотой ω, описывается эффективной массой
которая отрицательна, когда частота ω приближается сверху. Сообщалось о метаматериалах, использующих эффект отрицательной массы вблизи плазменной частоты. [30] [31]